CN206180102U - 一种基于褶皱金属周期结构的小型化宽带天线 - Google Patents
一种基于褶皱金属周期结构的小型化宽带天线 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种基于褶皱金属周期结构的小型化宽带天线，利用褶皱金属周期结构在微波频段的等效介电常数为负的特征，以及在负介电常数材料与正介电常数材料分界面上将形成表面波的基本原理，将等效为负介电常数材料的周期性褶皱金属贴片单元按照3×4阵列排列构成褶皱金属周期结构附着于第二介质基板上，构成超表面结构，并通过微带侧馈的天线辐射体激发超表面结构，形成谐振；由π型结构构成的第一金属底片和第二金属底片主要起接地作用；上述结构共同形成了一种尺寸小、频带宽和增益高的微带天线。
Description
技术领域
本实用新型天线技术领域，具体涉及一种基于褶皱金属周期结构的小型化宽带的超表面天线，其采用较小的体积，实现较宽的带宽和较高的增益。
背景技术
超表面通常是指那些通过人工制作的金属结构单元和相同或相近的单元结构周期或者非周期排布的电磁材料，其具有自然界中材料所不具备的性质。超表面可以等效为二维超材料，对电磁波具有很强的调控能力，可以实现改变天线的波束指向，产生相位偏移等功能。不仅如此，超表面和微带天线的结合可以提高传统天线在工作带宽、尺寸、增益、辐射效率等多个方面的性能。此外，Chung，K.等人于2011年提出将超表面结构应用到微带贴片天线上，阻抗带宽和天线效率等方面性能都得到很大改善。
传统微带天线具有质量轻、成本低、容易制造并且可以直接和射频微波电路集成等特点，因此在移动通信、航天航空、电子对抗及雷达等领域有着广泛的应用。但当传统微带天线工作在较低频段时，由于其面积大从而不能适应无线通信系统向小型化、集成化方向发展，从而限制了微带天线在无线通信系统中的应用,也限制了无限通信系统的发展。
因此急需研究通过超表面的引入来实现天线基板的电磁参数数值的提高，小型化因子得到增大，从而实现天线尺寸小型化。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种结构简单，增益高、频带宽、尺寸小的基于褶皱金属周期结构的小型化天线。
本实用新型的目的是这样实现的，包括依次顺序重叠设置的天线辐射体、第一介质基板、第一金属底片、褶皱金属周期结构、第二介质基板和第二金属底片，所述天线辐射体为采用微带金属贴片制作形成的中心馈电微带天线，所述第一金属底片为π型结构，所述褶皱金属周期结构由多个周期性褶皱金属贴片单元按照3×4阵列排列构成，所述周期性褶皱金属贴片单元的褶皱深度为1~3mm，褶皱缝宽度为0.1~0.5mm。
本实用新型利用褶皱金属周期结构在微波频段的等效介电常数为负的特征，以及在负介电常数材料与正介电常数材料分界面上将形成表面波的基本原理，将等效为负介电常数材料的周期性褶皱金属贴片单元按照3×4阵列排列构成褶皱金属周期结构附着于第二介质基板上，构成超表面结构，并通过微带侧馈的天线辐射体激发超表面结构，形成谐振；由π型结构构成的第一金属底片和第二金属底片主要起接地作用；上述结构共同形成了一种尺寸小、频带宽和增益高的微带天线。
本实用新型中的褶皱金属周期结构和第二介质基板形成了超表面结构，天线辐射体与π型结构的第一金属底片共同构成带有接地板的共面波导，然后将该超表面结构直接设置在共面波导馈电的矩形微带天线下方，并通过微带传输线进行激发形成谐振，实现交指电容器效果的低剖面定向天线，使得形成的天线具有宽频带、体积小、增益高、结构简单和制作成本低廉等优点。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型中天线辐射体的结构示意图；
图3为本实用新型中第一金属底片的结构示意图；
图4为本实用新型中褶皱金属周期结构的结构示意图；
图5为本实用新型中周期性褶皱金属贴片单元的结构示意图；
图6为使用本实用新型提供的天线进行回波损耗特性仿真的仿真曲线；
图7为使用本实用新型提供的天线进行增益特性仿真的仿真曲线；
图8为使用本实用新型提供的天线进行仿真的归一化方向图；
图中：1-天线辐射体、2-第一介质基板、3-第一金属底片、4-褶皱金属周期结构、5-第二介质基板、6-第二金属底片。
具体实施方式
如图1-图5所示，本实用新型提供的基于褶皱金属周期结构的小型化天线，包括依次顺序重叠设置的天线辐射体1、第一介质基板2、第一金属底片3、褶皱金属周期结构4、第二介质基板5和第二金属底片6，所述天线辐射体1为采用微带金属贴片制作形成的中心馈电微带天线，所述第一金属底片3为π型结构，所述褶皱金属周期结构4由多个周期性褶皱金属贴片单元按照3×4阵列排列构成，所述周期性褶皱金属贴片单元的褶皱深度为1~3mm，褶皱缝宽度为0.1~0.5mm。
所述第一金属底片3与褶皱金属周期结构4之间的距离为电磁波波长的0.005~0.01倍。
其特征在于所述第一金属底片3与褶皱金属周期结构4之间的距离为0.5mm。
所述第一介质基板2采用玻璃环氧树胶制作，第二介质基板5采用罗杰斯3003制作。
所述的褶皱金属周期结构4和第二介质基板5形成了超表面结构，天线辐射体1与π型结构的第一金属底片3共同构成带有接地板的共面波导，然后将该超表面结构直接设置在共面波导馈电的矩形微带天线下方，并通过微带传输线进行激发形成谐振，实现交指电容器效果的低剖面定向天线，使得形成的天线具有宽频带、体积小、增益高、结构简单和制作成本低廉等优点。
实施例1
采用厚度为0.018mm的微带金属贴片制作天线辐射体1，其中天线辐射体的相关参数为：I1=11mm、I2=2mm、I3=8mm、I4=1mm、w1=2mm、w2=5mm和w3=7mm；第一介质基板2选用材料玻璃环氧树胶制作，其长度为25mm、宽度为16mm、厚度为1.6mm，其介电常数为4.4；π型结构的第一金属底片3采用厚度为0.018mm，长度m1=25mm和宽度f1=4mm的矩形金属贴片与两个边长f2=2mm的正方形金属贴片合并而成，两个正方形对称设置于矩形边位置的m2=3mm处；褶皱金属周期结构4采用多个相同的周期性褶皱金属贴片单元按照3×4阵列排列构成，其中每个周期性褶皱金属贴片单元的厚度为0.018mm，长度s2=10mm，宽度u2=11mm，褶皱深度u1=1.8mm，褶皱宽度s1=0.2mm；第二介质基板5选用材料罗杰斯3003制作，其长度为41.6mm、宽度为33mm、厚度为2.5mm，其介电常数为3；第二金属底片的长度为41.6mm、宽度为33mm、厚度为0.018mm；其中π型结构第一金属底片3与褶皱金属周期结构4之间的距离为0.5mm。
采用实施例1的结构制作形成了工作在中心频率为4.9GHz的宽带天线，采用全波三维电磁仿真软件 Ansoft HFSS 对该天线进行仿真，可得到如图6所示的天线的回波损耗（S11参数）特性图，从图上可知在天线的工作带宽4.42～5.4GHz范围内，回波损耗均在-10dB以下；该天线所占用的最大尺寸为33mm*41.6mm，其面积只有0.366，其中为中心频率所对应的波长（这里为61.2mm）。如图7所示，本实用新型提供的天线的增益仿真曲线在通带内的平均增益为7.2dBi，其中最大增益为7.43dBi。如图8所示，本实用新型提供的天线的中心频率4.9GHz的归一化方向图，最大辐射方向在辐射体的正上方，通带内其他频率的方向图与4.9GHz的方向图类似，整个通带内方向图比较稳定。
上面结合附图对本实用新型的实施方式进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出许多形式，这均属于本实用新型的保护之内。
Claims (4)
1.一种基于褶皱金属周期结构的小型化天线，其特征在于包括依次顺序重叠设置的天线辐射体（1）、第一介质基板（2）、第一金属底片（3）、褶皱金属周期结构（4）、第二介质基板（5）和第二金属底片（6），所述天线辐射体（1）为采用微带金属贴片制作形成的中心馈电微带天线，所述第一金属底片（3）为π型结构，所述褶皱金属周期结构（4）由多个周期性褶皱金属贴片单元按照3×4阵列排列构成，所述周期性褶皱金属贴片单元的褶皱深度为1~3mm，褶皱缝宽度为0.1~0.5mm。
2.根据权利要求1所述的基于褶皱金属周期结构的小型化天线，其特征在于所述第一金属底片（3）与褶皱金属周期结构（4）之间的距离为电磁波波长的0.005~0.01倍。
3.根据权利要求1所述的基于褶皱金属周期结构的小型化天线，其特征在于所述第一金属底片（3）与褶皱金属周期结构（4）之间的距离为0.5mm。
4.根据权利要求1所述的基于褶皱金属周期结构的小型化天线，其特征在于所述第一介质基板（2）采用玻璃环氧树胶制作，第二介质基板（5）采用罗杰斯3003制作。
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| CN110518362A (zh) * | 2019-09-03 | 2019-11-29 | 山东大学 | 一种基于超构材料的微带天线及应用 |
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